Date: January 18, 2016 / Source: Johns Hopkins Medicine

I biofisici hanno scoperto perché i batteri che causano la tubercolosi (TB) sono naturalmente resistenti agli antibiotici noti come i fluorochinoloni.

I loro risultati, basati sulla mappatura dettagliata della struttura tridimensionale dell’interazione dei farmaci con un enzima essenziale al batterio della TB, rivelano perché alcuni farmaci anti-TB sono più potenti di altri e suggeriscono come gli sviluppatori di farmaci possono rendere i fluorochinoloni più efficaci contro le mutazioni che rendono la malattia polmonare resistente ai farmaci.

"I trattamenti di prima linea per la tubercolosi si stanno riducendo rapidamente mentre aumentano i casi di tubercolosi multiresistente in tutto il mondo," dice James Berger, Ph.D., professore di biofisica e chimica biofisica alla Scuola di Medicina dell'Università John Hopkins. "Il nostro lavoro aiuta a dimostrare che non abbiamo bisogno - e in realtà non dovrebbe – di rinunciare a fluorochinoloni, un'arma di lunga data usata nella lotta contro malattie provocate dai batteri in generale. Abbiamo aiutato ad identificare diverse promettenti possibilità per lo sviluppo di nuove versioni di questi farmaci che potrebbero anche funzionare contro la tubercolosi resistente a tali farmaci ".

I chinoloni sono una classe di antibiotici comunemente usati di sintetici ed ad ampio spettro che sono stati sviluppati all’inizio degli anni ‘60. Dal 1970, derivati più potenti sono stati realizzati con la semplice aggiunta di un atomo di fluoro alla molecola base: i fluorochinoloni. Tutti i chinoloni, nota Berger, uccidono i batteri allo stesso modo, attraverso l’inibizione della girasi enzimatica, che interviene nel riavvolgimento del DNA rompendo il doppio filamento e per poi riunirlo. I chinoloni impediscono la ricucitura del DNA batterico causando la morte del batterio.

Per capire meglio il motivo per cui alcuni fluorochinoloni funzionano meglio di altri, Berger e il suo team di ricerca hanno usato una tecnica di imaging ad alta potenza chiamata cristallografia a raggi X per generare tridimensionalmente, atomo per atomo, dei modelli di come la girasi tubercolare interagisce con cinque diversi farmaci, di cui uno di nuova sintesi, l’8-metil-moxifloxacina. I collaboratori alla Vanderbilt University hanno utilizzato anche un test biochimico per monitorare come i vari derivati dei farmaci causano la rottura del DNA batterico.

Attraverso la visualizzazione della “tasca” di legame dei farmaci alla girasi, il team di ricerca ha visto che i farmaci hanno il vantaggio di interagire con le proteine batteriche in due siti diversi. In uno di questi siti, i ricercatori hanno confermato che esiste una proteina che naturalmente blocca la girasi della TB che rende i fluorochinoloni meno efficaci contro la tubercolosi rispetto alle altre infezioni batteriche. Sorprendentemente, nessuno dei farmaci si attacca al secondo sito.

Secondo Berger, questo significa che esiste un potenziale non sfruttato per produrre dei derivati dei fluorochinoloni capaci di legarsi ad entrambi i siti; in questo modo aumentano le interazioni tra il farmaco e la girasi. E, poiché i batteri, compresi quelli che causano la tubercolosi, potrebbe sviluppare delle mutazioni in una delle due regione, ma non in entrambe molto probabilmente, Berger dice che le probabilità di sviluppare la resistenza ad un farmaco che si lega fortemente ad entrambi i siti è molto bassa.

In maniera molto inaspettata, tuttavia, i ricercatori hanno detto di aver scoperto che le versioni più potenti dei farmaci non interagiscono fortemente con una delle due regioni della girasi. Invece, la loro maggiore efficacia era dovuta alle forti interazioni che si sono create con il DNA svolto all'interno della girasi. Quando i ricercatori hanno messo in soluzione a reagire questi farmaci con l'enzima girasi e poi sciacquati via, i farmaci più potenti sono rimasti bloccati all'interno del complesso DNA-girasi, mentre quelli più deboli sono stati lavati via.

"Questo risultato indica che i fluorochinoloni non funzionano nel modo più semplice, e questa è una sfida per gli sviluppatori di farmaci", dice Berger. "Dobbiamo ripensare alla chimica di questi farmaci, in questo modo sarà più probabilmente percorrere nuove vie di miglioramento."

Un tale miglioramento, sulla base di un maggior numero di interazioni con il DNA, si troverebbe già nel nuovo farmaco di sintesi, il 8-metil-moxifloxacina, creato dal chimico Robert Kerns della University of Iowa. Quando la squadra di Berger ha valutato in vitro l'efficacia dei cinque fluorochinoloni contro due forme mutanti comuni della girasi TB, l’8-metil-moxifloxacina ha avuto risultati migliori rispetto al resto dei farmaci in studi, suggerendo che esso potrebbe avere una efficacia maggiore rispetto ad altri farmaci anche in ceppi batterici che presentano altri tipi di farmaco-resistenze.

"Tutti questi studi rappresentano un patrimonio di informazioni che le aziende farmaceutiche possono utilizzare per continuare lo sviluppo di fluorochinoloni", dice Berger. "contengono molte promesse per la lotta contro la resistenza ai farmaci dei batteri che causano la tubercolosi e molte altre malattie."

Sebbene la tubercolosi colpisce meno di 10.000 persone negli Stati Uniti, secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità è una delle principali cause di morte nel mondo, che ha colpito 9,6 milioni di persone nel 2014 di cui ne ha ucciso 1,5 milioni. Quasi 500.000 di questi casi si stima siano multifarmaco resistenti, e i fluorochinoloni sono sempre più oggetto di ricerca come mezzo per contrastare questi ceppi resistenti.

Story Source:

The above post is reprinted from materials provided by Johns Hopkins Medicine. Note: Materials may be edited for content and length.

Johns Hopkins Medicine. "Making weak TB drugs strong again: 3-D structures could lead to more potent fluoroquinolones for the fight against other disease-causing bacteria too." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160118184401.htm (accessed January 20, 2016